Wnikanie masy w fazie ciekłej w polu sił odśrodkowych

ZESZYTY / 1 ^

?.»N6|Ä>

NAUKOWE $ ъ \ % POLITECHNIK^ * ŚLĄSKIEJ ^

CH EM IA

Z. 98

GLIWICE

1980

? . » < i i f S D

P O LITE C H N IK A SLĄSKA

ZESZYTY NAUKOWE Nr 684

MICHAŁ PALIĆ A

W N IK A N IE M A SY W FAZIE CIEKŁEJ W PO LU SIŁ

O D Ś R O D K O W Y C H

G L I W I C E

y

1 9 8 0

O P IN IO D A W C A Prof. dr inż. Mieczysław Serwiński

. 'tf' *

K O L E G IU M R E D A K C Y J N E

Jan Bandrowski (redaktor naczelny), Genowefa Bieńkiewicz (redaktor działu), Wojciech Mikołajków (sekretarz redakcji)

ii . » * , I

*■

O P R A C O W A N IE R E D A K C Y J N E

ł ,*

Anna Błażkiewicz

W ydano za zgodą Rektora Politechniki Śląskiej

; . * • V;

PL ISSN 0372-9494

Dział W yd aw n ictw Politechniki Śląskiej G liw ice, ul. K u jaw ska 2

N a k i. 180-1-85 A r k . wyd. ^4,6 A r k . d ru k . 4,875 P a p ie r d r u k o w y k l. V 70x100. 70 g O d d a n o d o d ru k u 19.11.1980 P o d p is , d o d ru k u 8.12 1980 D ru k ukońfcz. w g ru d . 1980

Zamówienie ^142?/80 Cena ^{z ł} 15,

Skład, fo to k o p ie , d ru k i o p ra w ę

wyKonano w Zakładzie G raficznym Politechniki Śląskiej w Gliwicach

SPIS TREŚCI

Str.

OD AUTORA... 5

OZNACZENIA I WYMIARY WAŻNIEJSZYCH WIELKOŚCI... ⁷

I . WSTĘP... 9

1.1. Przegląd lite ra tu ry . . . 9

1.2. Założenia i zakres praoy ... 12

U . INSTALACJA DOŚWIADCZALNA... H, I I . 1. Schemat in s t a la c ji . . . jlj 11.2. Niektóre szczegóły konstrukoyJne in s t a la c ji ... ^{1 5} 11.3. Przygotowanie in s ta la o ji do badań . . . 20

I I I . BADANIA WSTĘPNE... 21

X I I . 1. Cechowanie przyrządów . . . 22

I I I . 2. Zmiany konstrukoyjne w in s ta la o ji ... 26

H I . 3. Badania wnikania masy przy grawitacyjnym spływie c ie ­ czy ... ²⁶

IV . METODYKA POMIARÓW I OBLICZEŃ... 27

IV .1. Pomiary temperatury . . . 27

IV .2. Pomiary ciśn ie n ia . . . 27

IV .3. Pomiary objętośoiowego natężenia przepływu w o d y ... 27

IV .P o m ia r y ilo ś o i obrotów cylindra . . . 28

IV .5. Pomiary stężenia C02 w wodzie destylowanej ... 28

IV .6. Pomiary wielkoćoi pomocniozyoh ... 28

IV .7. Metodyka obliczania współczynników wnikania masy na pod­ stawie danyoh eksperymentalnych ... 29

IV .8. Metodyka obliczeń wielkośoi modułowych . . . 31

IV .9. Zakres zmienności zmiennych niezależnych ... . 3k V. WYNIKI POMIARÓW I OBLICZEŃ... ³⁵

V I. ANALIZA WYNIKÓW BADAŃ ... 36

V I. 1. Ustalenie postaci równania korelacyjnego ... .. 36

V I.2. Analiza błędów równań korelaoyjnyoh . . . 38

V I . 3. Omówienie uzyskanyoh wyników . . . U1 V I.k . Dyskusja rezultatów badań ... . 51

• ■ » « *

l *» . .

- k -

■ : •

« • %

S tr.

VII. W N I O S K I ... ... ... 51»

VIII. L I T E R A T U R A ... 56

STRESZCZENIA,... * ⁵⁸

IX. ANEKS DO ROZDZIAŁU V ...

■» ' • • *

- -z ■ I X .¹. ¥ yn iki pomiarów i obliozeń współczynnika wnikania masy.. ⁶¹

I X . 2. Tablica obliozonych w ielkości modułowych . . . 70

■■ .r*

%

•l.-

i

* _{• w} OD AUTORA

■

Praoa n in ie jsza wykonana została w Instytucie In ż y n ie rii Chemicznej i Bodowy Aparatury P o litech n iki ś lą s k ie j w Gliwicaoh w lataoh 1974-1979.

J e j temat został zainiojowany .w roku 1971* przez zmarłego rok później

• . . • ' W * ' ■ ‘‘ *

prof. dr in ż. Tadeusza HOBLERA. Oddająo w tym miejscu hołd parnięoi Profe- sora pragnę podziękować również prof. dr hab. in ż. Janowi BANDROWSKIEMU i prof. dr hab. in ż. Józefowi ZABŁOCKIEMU za słowa zaohęty do kontynuowa-

* '* *’ . nia podjętego tematu.

Władzom Uczelni oraz wszystkim, którzy s łu ż y li mi radą i pomooą przy

* * * *-y , . *. ’

wykonywaniu te j praoy, składam serdeczne podziękowania.

OZNACZENIA I WYMIARY WAŻNIEJSZYCH WIELKOŚCI

konoentraoja średnica

wewnętrzna średnica wirująoego oylindra powierzohhia wnikania masy

masowe natężenie przepływa masa COg, wnikająca do wody masowe natężenie zraszania wodą sta ła Henry’ ego

masa molowa

oznaozenie pasa rozrzutu ciśn ien ie całkowite ciśn ien ie barometryozne nadciśnienie

temperatura bezwzględna objętość

objętośoiowe natężenie zraszania przyspieszenie odśrodkowe przyspieszenie s iły oiężkości czynna wysokość strefy absorpcji współozynnik przenikania masy masa

stosunek M. do M _A stosunek M^ do M^o

poprawka uwzględniająca odstępstwo rzeczywi­

s te j minimalnej liozby Re przy zraszaniu do wartośoi teoretycznej

prędkość kątowa wirująoego cylindra ciśn ien ie pochodząoe od działania s iły odśrodkowej

promień

grubość spływającego film u cieczy średni błąd pojedynozego równania zredukowana grubość spływająoego filmu temperatura

liniowa prędkość obwodowa wirująoego oylindra prędkość spływa film u

udział molowy

[kmol/m3] , jmol/l]

[m]

[“ ] [ - 2J

[kg/s] , [kgA]

[kmol/sj , [kmol/h]

[kg/s] , [kg/h]

[Pa]

[kg/kmol]

W

[Pa]

[Pa]

[Pa]

[m3] , W[om3]

[m / .] , [dm /h]

[m/s ] [m/s2]

Jkmol/m^sjW [kg]

( M w [Pa]

W[m]

[°c]

[m/s]

[m/s]

- współczynnik wnikania masy - dynamiczny współozynnik d y fu zji ę - g ę s to ś ć

^ — współczynnik lepkości dynamicznej

^ - zastępczy wymiar liniowy 6 — napięcie powierzchniowe

A JZA - moduł napędowy

J*1 — jednostkowe natężenie zraszania Ci> - prędkość kątowa

_ 8 -

.i' I * . ' i '

f . *

[kg/mhj, [kmol/mhj [kg/m3]

[kg/mh] , [Pa s]

W [S/m]

[kg/mh], [kg/ms]

[rad/s]

[kmoi/m2hJ

Indeksy - dotyozy CO.

0 - odnosi się do fazy o io kle j

S — odnosi się do fazy gazowej 1 - oznacza inert

k — oznacza wartość koóoową

m - oznacza wartość średnią fc>bl — oznacza wielkość obliczoną p — oznacza wartość początkową śr - oznacza wartość średnią t — oznacza wartość teoretyczną

zm - oznacza wartość obliczoną na podstawie danych z — dotyczy zwierciadła*

1,2 - dotyozy początku i końca strefy absorpcji

zmierzonych

* ‘ «!*)

*ł

Re

Moduły podobieństwa i simpleksy

— zastępcza lio zb a Reynoldsa przy zraszaniu

^ " krytyozna lic z b a Reynoldsa ograniczająca zakres spływu

’ burzliwego wg Portalskiego [1 6] pseudo-

®8źk

Re".zk

Ra.min Remin, t SŁzSo

< x >

<l>

“ krytyozna lio zb a Reynoldsa ograniozająoa spływ pseudolaminarny,w którym tworzą się fa le długie wg [17]

“ krytyozna lic z b a Reynoldsa, ograniozająoa spływ pseudolaminarny, w którym występują fa lo krótkie wg [1 7]

rzeczyw ista minimalna lio zb a Reynoldsa przy zraszaniu w polu s i ł odśrodkowyoh

- teoretyczna minimalna lio zb a Reynoldsa przy zraszania w polo s i ł od środkowych

- następcza lio zb a Sherwooda przy zraszania - lio zb a Schmidta

- zastępcza lio zb a Webera przy zraszania • * - simpleks podobieństwa geometrycznego

- simpleks przyspieszeń.

. j :

< i i

v i

* i!»

' V t) '■. ^

X. WSTĘP

In te n syfikacja procesów wymiany masy związana Jest zwykle z poszukiwa­

niami, nowyoh, skutecznyoh typów wypełnień lub nowyoh konstrukoji absorbe- rów. Obszerny przegląd rozmaitych wymienników masy zamieszczono w [i] i [2]. *

W przypadku stosowania kosztownych absorbentów lub w układaoh, wymagają­

cych prawie całkowitego nasycenia cieczy absorbowanym gazem, stosuje się zazwyozaj takie rozwiązania, w któryoh ilo ś o i używanego w procesie absor- benta byłyby jak najmniejsze. Rozważania Hoblera [3] pozwalają stwierdzić, że w układzie z wirująoą powierzchnią można uzyskać znaczne zmniejszenie tzw. minimalnej lic zb y Reynoldsa przy zraszaniu. Liozba ta związana jest z ilo ś c ią absorbenta konieczną do pełnego pokryoia cieczą zraszanej powierz­

chni. S ta b iliza o ja spływającej oieozy do oienkiej warstwy i poślizg absor­

benta na wewnętrznej powierzchni wirująoej prowadzą do znaoznie lepszego wykorzystania zraszająoej oieozy w stosunku do grawitacyjnego spływu f i l ­ mowego. J e ś li więo główny opór dyfuzyjny skupiony je st w fa zie c ie k łe j,

zwiększenie szybkośoi prooesu wiąże się ze znalezieniem takioh warunków ruchowych, w któryoh wartośći fi* byłyby możliwie duże. Warunkom tym od­

powiada nałożenie pola s i ł odśrodkowych na wymianę masy. Stosunkowo niską powierzchnię Jednostkową można łatwo zwiększyć, stosująo współśrodkowe cy­

lin d ry umooowane na wspólnej osi, przez oo uzyskuje się wartości równo­

rzędne (lub większe) przeoiętnym dla najozęśoiej stosowanych pierścieni RaSohiga.

Zaproponowany w n in ie js z e j praoy sposób prowadzenia wymiany masy może znaleźć zastosowanie w niewielkiob instalaojaoh, stosowanych np. w przemy­

śle farmaceutycznym lub w praoaoh doświadczalnych, w któryoh wymaga się u- zyskania stanu, b liskiego równowagowemu, przy niewielkioh ilo ścia ch zuży­

wanego absorbenta.

1*1. Przegląd lite ra tu ry

STie opracowano dotąd ani teoretycznie, ani doświadozalnie zagadnienia Wnikania masy w fa z ie c ie k łe j przy grawitacyjnym spływie filmowym w polu s i ł odśrodkowych. Autorzy najozęśoiej cytowanych monografii fi ,2 f k ,5] ogra­

n ic za ją się do układów nieruchomych (pewne rozważania teoretyozne związa­

ne z hydrodynamiką i wymianą masy dla wirująoej s p ir a li Arohimedesafza si­

la n ej cieczą od o s i, przedstawiono w [6 j) f dla któryoh wyznaozono obszar

- 10 -

prawdopodobieństwa teoretycznego przebiega prooesn. Bobler ^ Kędzierski [7j podają, Ż8 is tn ie ją trzy sposoby wyznaozania ^ na drodze teoretycz­

nej:

- całkując bezpośrednio równanie różniczkowe rozkładu stężeń,

• t '

- wykorzystując teorię penetraoji, . •

- wykorzystając teorię dwa warstw granioznyoh (w przypadku zastosowania ozystego składnika gazowego - teorię warstwy gra n iczn e j).

Każdy z podanych sposobów wymaga odpówiednioh założeń.

Pomijająo falowanie powierzchni i przyjmująo Jednakową prędkość spływu oa- ł e j warstwy oieozy, Van KreTelen i H o ftijze r [8] uzyskali rozwiązanie (obo- wiązująoe dla Re„<100) drogą oałkowania równania rozkładu stężeń. To sa­

mo również rozwiązał Pigford £9] przyjmująo paraboliczny rozkład prędko- śo i i uzyskując dwa zakresy lio zb y Sh^, dla dużych i małych ozasów spły­

wa. V analitycznych praoaoh Malewskiego [10] oraz Ruokensteina i Breben- te [1 i j uwzględniono dodatkowo wpływ falowania film u oieozy.

Teorię penetracji wykorzystuje w swych rozważaniaoh BrBtz [1 2] uzysku­

jąc trzy zakresy, obowiązujące dla różnych lio zb R®z ., ¥arto przy tym zwró- oić uwagę na fa k t, że wykładniki potęgowe przy Sc i (-j^) były stałe i wy­

n o siły 0,5, natomiast wykładnik przy Rez zmieniał się od 0,333 do 0,833.

Vreszoie Brauer [13], przy założenia prostoliniowego p r o fila prędkości w warstwie przyśoienneJ, związał grubość warstwy przyśoiennej z napręże­

niem stycznym na śoianoel(^pzyskująo wpływ Re^ w potędze 0 , 5 3 3 * 0 , 6 6 7 i nie stwierdzając wpływu (”^ )» Hobler i Kędzierski [7] przytaozają następ­

nie szereg prac doświadczalnych prowadzonych zarówno przy wyeliminowaniu falowania film n spływająoej cie czy, jak i z falowaniem powierzchni.V kon­

k lu z ji swojego artykułu stw ierdzają oni m.in. ⁰⁰ następuje:

1. Równania teoretyczne różnią się między sobą, a badania eksperymentalne nie potwierdzają na ogół równań teoretycznych i również wykazują duże rozbieżności.

2. Autorzy prac doświadczalnych przyjmują a rb itra ln ie niektóre wykładni­

k i równania kryterialneg*>~ (np. przy So i ( - ^ ) ) , opierając się na pra­

oaoh teoretyoznyoh, 00 prowadzi do znacznych rozbieżnośoi wyników.

3. Brak je s t prac czysto eksperymentalnych, określających sta łą i wykład­

n ik i, w zakresie praktyoznie stosowanej zmiennośoi parametrów ze szcze­

gólnym uwzględnieniem wykładnika przy module geometryoznym.

Temat podjęty przez Hoblera i Kędzierskiego [7J rozw ijają autorzy pra­

cy [l5 ] porówna jąc dostępne dane dla akładu C02 — woda. Dane te odnoszą s ię do nieruohomyoh rur gładkich. Stwierdzają oni, że wszystkie ujęoia teo­

retyczne wymagają odpowiednioh założeń p ro filu spływu i rozkładu konoen- t r a o ji, a wyniki prao różnią s ię znacznie między sobą. ¥ynika stąd,że za­

proponowane modele mechanizmu procesu są jeszoze niedoskonałe, zaś droga zaproponowana przez Hoblera i Kędzierskiego [7] wydaje s ię obecnie jedyna.

Pewne światło na mechanizm prooesu spływu filmowego po powierzchni gład-

- 11 -

k io j daje praca Portalskiego [¹⁶] , który przewiduje następujące zakresy spływa:

- gład ki spływ laminarny (Rez < 2 0 * 3 0), - falowy spływ laminarny (Rez = 2 0 * 3 0 0),

- spływ o charakterze przejściowym (Rez = 300 r 11 5 0),

- spływ pseudoburzliwy (Rez = 1 1 5 0 * Rez k t , gdzie Rezkt może przyjmować wartość 1 60 0 4- 2 1 0 0),

- spływ burzliwy (Rez > 1 600 4 2 1 0 0).

Jeszoze dokładniej rozpatrują spływ grawitacyjny filmowy Olewskij i R uozinskij [17]. Przewidują oni mianowioie:

- gła d ki spływ laminarny (Rez < ^{1 2}),

- spływ pseudolaminarny, który można p o d zie lić na dwa podzakreśy:

a) spływ, w którym występują fa le długie (Rez = 1 2 f R e ^ ) , b) spływ, w którym występują fa le krótkie (Re„ = Re' _{Z ZK} y Re", )._ZtE Rozgraniczeniem obydwu podzakresów Jest wartość

= k ’ 7k Voz" ° ’ 6

zaś ograniozeniem górnym spływu pseudolaminarnego je st Re^k = (200 i kOO).

- spływ przejśoiowy (Rez = ReJ^ t 1 2 0 0 - 2 0 0), - spływ pseudoburzliwy (Rez = 1200 — 200 f ZkOO) , - spływ burzliwy rozwinięty ( Re^ > 2^0 0).

Ponieważ dla każdego z tych zakresów wystąpują inne równania grubośoi spływającego film u, więc inny je st też opis prooesu wnikania masy. Podob­

n ie , rozbieżnośoi dotyoząoe krytyoznyoh lic z b Rez w poszozególnyoh zakre­

sach Re^ mogą mieć wpływ na postać i zakres ważnośoi równań,z któryoh obli­

cza się współczynniki wnikania masy. Analiza wartośoi zredukowanych gru­

bośoi spływającego grawitaoyjnie film u, przedstawiona w [15] , w s k a z u je , że

rozbieżnośoi s = ( ~ ) mogą sięgać 50%. Analityczny opis prooesu jeszoze bardziej komplikuje nałożenie na spływ grawitacyjny pola s i ł odśrodkowyoh.

Zmienia się wówozas charakter spływu, warstwa staje się bardziej ustabi­

lizowana i można sądzić, że zmieni się zakres powstawania f a l długioh i krótkioh. S iły odśrodkowe powodują "dociskanie" film u do ściany [3] , uła­

tw iają je j zw ilżanie i ograniczają wielkość amplitudy fal.Celem więo unik­

n ię c ia niejednoznaczności kryteriów, rozgraniozająoyoh poszczególne mecha­

nizmy spływu, jak również wątpliwośoi odnośnie do średniej grubośoi film u, można skorzystać z ogólnego opisu prooesu, zaproponowanego przez Rama [1] i Hoblera [2j uwzględniającego odpowiednią poprawkę, która wynika z rota­

c j i okłada. Na podstawie rozważań teoretycznych Hoblera [3] można stwier­

d zić , że poprawka ta winna zawierać w sobie simpleks przyspieszenia od­

środkowego i s i ł y c ię t o ś c i, t z n .:

zaś w granicznym przypadku, tzn. a = O, zależność ( i - i ) winna przecho­

d z ić w postać obowiązującą spływ po powierzohni nieraohomej. Aby utrzymać jednorodną, ogólnie p rzyję tą postać w równaniu ( i - i ) , obowiązywać więc win­

na zależność: ,

Shz = C H8|iA SoB ( ^ ) [ i + ( | ) ] E (1-2) ważna jedynie wówozas, gdy oala powierzchnia czynna pokryta Jest absorben- tem, a więc, gdy Rez > R«z min.

Problemowi tzw. minimum zraszania poświęoono liozne prace teoretyozne i eksperymentalne, wśród których Sokół [1 8,19] podaje ogólne rozwiązanie analityczne stwierdzająo, że należy wyznaczyć doświadozalną zależność współczynnika "n" od parametrów przepływu dwufazowego gaz - c ie c z, spo­

sobu zraszania oraz przyspieszenia odśrodkowego (współczynnik ten jest sto­

sunkiem rzeczyw istej w artości He^ m^n do wartośoi teoretycznej) .Aby unik­

nąć wątpliwości związanych z pełnym pokryoiem oieczą wirującego oylindra, wykonano go z polimetakrylanu metylu, umożliwiając wizualne obserwacje zra­

szanej powierzchni. .

x

1.2. Założenia i zakres pracy

Najprostszy sposób prowadzenia badań wnikania masy w fa z ie o ie k łe j,z a ­ równo ze względu na eksperyment, jak i o b licze n ia , polega na wyeliminowa­

niu opora dyfuzyjnego fazy gazowej ( ^ = » o ).

Zdecydowano s ię zastosować dwutlenek węgla i wodę destylowaną, a więo klasyczny układ eksperymentalny w badaniach ruchu masy. Można bowiem przy­

jąć za Tielstiohem [20j , że dla układa CO^ - woda destylowana ro la reak­

c j i chemioznej je st do pominięoia. Z danych tego autora wynika, że w tem­

peraturze 18 [°c] stosunek ilo ś c i drobin kwasu węglowego do ilo ś o i drobin C02 w roztworze wodnym wynosi około 1 ; 6^5, a więo wypadkowa szybkość pro- oesu limitowana je s t praktycznie procesem fizycznym.

V koncepcji i rozwiązaniu in s t a la c ji badawozej przyjęto następująoe za­

łożenia:

- sta łą średnicę rotująoego oylindra,

- zmienną wysokość czynnej powierzohni zraszanej (przesuwny zraszaoz), - płynną regulaoję obrotów,

- termostatowaną temperaturę układa.

Prócz tego przyjęto taką metodykę pomiarów, która ograniczała desorpoję C02 z wody podozas wykonywania oznaczeń.

- 13 -

V obliozeniaoh wstępnyoh in s ta la o ji dotycząoyoh natężenia zraszania, przyspieszenia odśrodkowego i wysokości czynnej skorzystano z wyprowadze­

nia Hoblera [³] dotyczącego minimalnego zraszania wirująoej powierzohni.

Na podstawie tych obliczeń zaprojektowano i wykonano stanowisko doświad­

czalne [21,22] oraz przeprowadzono badania wstępne [^{2 3}] . Wymienione praoe [21 t 23] obejmowały koncepcję rozwiązania, obliozenia konstrukcyjne i wy­

trzymałościowe, dobór metod i przyrządów pomiarowyoh, montaż in s ta la o ji, zmiany konstrukoyjne, cechowanie przyrządów oraz pomiary wstępne. Na ioh podstawie ustalono szczegółowy zakres zmiennośoi poszczególnych badanych w ielko ści.

i

U . INSTALACJA DOŚWIADCZALNA

¥ projekcie wstępnym in s t a la c ji przyjęto średnicę wirującego absorbera

^w = [mj i maksymalną prędkość obrotową n* s ^{1 600} j^—!—-J.

Zgodnie z wyliczeniami Hoblera f3l można wówczas snniejszyć Re do

/ z min

kilkunastu (p rze licze ń dokonano dla t = 1 5, 20 i 2 5 [ ° c ] przy założonym skrajnym kącie zw ilżania dla układu polimetakrylan - woda - powietrze =

— 25 i 35 )• Po przyjęciu do r e a liz a o ji okładu o środnicy wewnętrznej cy­

lin d ra Dw = 0,195 [m] i wysokości czynnej h = ^{0 , 6 3 0} [m] rozwiązano układ napędowy z płynną regulaoją obrotów w zakresie 0 i I600! układ z a s i­

la n ia wodą w zakresie ^{0 4} 430 j^ L -J i układ za sila n ia CO^ przy nadciś­

nienia CO^ w cylindrze rzęda 60 7 1 00 JP a J w warunkach ustabilizowanej temperatury.

I X . 1. Schemat in s t a la c ji

Schemat in s ta la o ji badawczo-pomiarowej pokazano na ry s. I I . 1. Głównym Je j elementem je st wirujący cylinder ( i ) , napędzany siln ikiem prądu sta -

JL Wirują^ ufuahr

■jLsUnttfwłdu ftalcęfo

Prostownik itpysiocow Bułki COj JLułhutemosłot

^.Rotametr C0j

«X?tanomcłr fóintcowy J Ł , Rotaroełr wodny J L Pq«mnik wotkj aesL i j J jL Pompa zasilająca i I J i Zbiornik główny

^ ! ! J^Kroaec poboru próbek

| K r t t i e c poboru próbek

| Termometr po absorpcji i i t e r m o ^ r p rw tabsorpcję JS,Termo«eir COj JZjerrneparn Jj^.fcwÓ7 odcinający M . 2 a * * r «gotacyjny wsdy

„ M Zawór poboru pfftbiu J L Zawór poboru próbki jUL Jawór redutegni; Cfy J i l zawór ffigułacyjny C0a

ipttsf RCriy oto

Ry». H . 1. Schemat in s t a la c ji

- 15 -

lego ( 2 ) , którego prędkość obrotową można zmieniać pokrętłem woltomierza prostownika tyrystorowego (3)* Cylinder zasilany jest dwutlenkiem węgla czerpanym z b u tli ( k ) poprzez zawór redukcyjny (2 2), podgrzewany w czasie badań promiennikiem elektryoznym. Po uzyskaniu w termostacie wodnym (5) żą­

danej temperatury, zbliżonej do temperatury otoczenia, a ustalonej termo­

metrem kontaktowym? COg podawano poprzez rotametr (6) do cylindra. Zawór

( 23) przed rotametrem pozwalał ustalać ta ki przepływ CO^, który zapewniał żądane nadciśnienie w cylindrze, mierzone wodnym manometrem różniocwjna ( 7).

Wodę destylowaną ozerpano ze zbiornika (⁹) pompą (^{1 0}), za którą znajdował się zawór dławiący ( l 8 ) # Dodatkowy zawór przed rotametrem wodnym (8) ozna­

czony jako (^{1 9}), pozwalał z dużą dokładnością regulować przepływ wody.

Przed cylindrem znajdował się kurek spustowy do poboru próbek wody (12).V tym celu otwierano zawór (2 0) i po pobraniu próbki zawór ten ponownie za- mykano. Temperaturę wody przed oylindrem mierzono termometrem rtęciowym (15), po absorpcji termometrem ( l4 ) . Odpływający roztwór dwutlenku węgla w wodzie kierowano do zbiornika (11) i do kanału śoieków (24), pobierająo próbki przewodem (13), zamykanym zaworem (21).

' V

X I . 2. Niektóre szczegóły konstrukcyjne in s ta la o ji

¥ celo wyeliminowania niepożądanych zjaw isk, które mogłyby zaważyć na powtarzalnośoi pomiarów i ioh m niejszej dokładności, ustalono szczególnie starannie oentryozność cylindra w stosunku do nieruohomej osi oraz piono­

we zamocowanie o s i. W ten sposób ograniozono drgania układu oraz praktycz­

nie wyeliminowano tzw. b ic ie promieniowe.

¥ rozwiązania konstrukcyjnym in s ta la o ji przewidziano wykonanie głównych elementów z materiałów o ulepszonych własnościach, oo pozwala zmniejszyć masę wirujących elementów oraz eliminuje wystąpienie zagrożeń meohanioz- nych.

Na ry s. ^{X X .}2 przedstawiono sohemat zamocowania i napędu oylindra wraz z zasadniczymi gabarytami. Opis, głównych elementów zawiera legenda schema­

tu.

Rozwiązanie konstrukcyjne wirująoego oylindra wraz z oprzyrządowaniem przedstawiono na ry s. H .3 , który orientuje o sposobie ułożyskowania,sma­

rowania, doszczelnienia i z a sila n ia wodą oraz CO,,» Przekrój ten pokazuje również zamocowanie termopary i końoówki do pomiaru nadciśnienia CO^ w oy—

lin d rze . Rozwiązanie konstrukcyjne wirująoego zraszaoza (pokrywy górnej) pokazano na ry s. U . 4.

Uniemożliwia ono badanie wpływu wysokośoi ozynnej strefy absorpcji na współczynniki wnikania masy, zapewnia natomiast idealne zraszanie. Absor­

bent podawany na wewnętrzną powierzohnię cylindra uzyskuje w czasie spły­

wu przez otworki pokrywy, styozne do powierzchni, prędkość obrotową iden­

tyczną z wirującym oylindrem, przez oo eliminuje się poślizg wody względem

11.3- Rozwiązaniekonstrukoy jne

Rys. X I . 2, Schemat zamocowania i napędu cylindra obrotowego

J L Płyto nośna

« Ł Konsola górna Ostona paska klinowego Koto pasowe silnika Pasek klinowy

±

« 3 L Zasilanie silnika m Zasilanie COj ' j S L Termopara

d £ Głowica nieruchomej osi

I X Króciec rasi lania wodą

ii

< 3

mmii Pokrywa górna cylindra i l Nieruchoma o)

< 5 ,

me*» Końcówka termoparu

« Ł i» Wirujący cylinder 1 6 Konsola dolna m1 8 Pokrywa dolna cylindra

«■■m» Króciec odprowadzający wodę1 9

- 18 -

A -A

R?8» H .4-. Wirujący zraszacz

powierzchni,-! Oozywiście, wskutek ta rc ia pomiędzy nieruchomym gazem a oie- ozą p o ślizg ten występuje (w pewnej odległośoi od górnej pokrywy) , ale moż­

na sądzić, że je st on n ie w ie lk i.

Natomiast konstrukcja przesuwnego zraszacza (ry s . 11 .5 ), umożliwiaJąoa ba~

danie wpływu simpleksu ("^) W znacznie szerszym zakresie, n iż można uzy­

skać jedynie przez zmianę temperatury ab so rp cji, związana je st z wystąpie­

niem znacznego poślizgu cieczy względem cylin d ra , szczególnie bezpośrednio przy zraszacza.

- 19 -

♦ 40

1-rura $85*85 2 - r u r a <>40 »100 3 -r u r a zraszająca 4*3

i Z 4 o t w .( f 3 4 - w k r ę t y M 5 M 0 5 - odcinek run} zasila­

jącej (j>tt 6 -d e n k o cfime.

7 - d e n k o d olne 8-tqczmlc 9 - o 's d t ą i o n a

Rys. I I . 5. Zraszacz przesuwny

Konstrukoja ta umożliwia dowolne ustawienie wysokośoi strefy ozynnej ab­

so rp c ji.

Sposób zamontowania przesuwnego zraszacza pokazano lin ią kreskowaną rów­

n ież na ry s . H . 3 (poz. 10). W tym celu zmieniono głowioę (poz. i ) , roz- wieroono otwór zamooowania termopary w osi drążonej (poz. 11) i przez oś poprowadzono przewód nakładany na rurę za sila ją o ą (poz. 5). Aby ograni­

czyć ilo ś ć CO,, uchodzącego wskutek nadciśnienia otworkami w górnej pokry­

wie, otworki te zaozopowano.

- 20 -

U . 3. Przygotowanie lnstalae.11 do badań

Aby ograniczyć do minimom zjaw iska, które mogłyby negatywnie wpływać na dokładność pomiarów, przeprowadzono następujące czynności przygotowawcze:

- wirojąoy cylinder wraz z okładem napędowym osadzono na płyoie nośnej w śoianie śrubami kotwowymi; masywna konstrokcja płyty elim inoje drgania układa,

- cylinder starannie wymyto używająo detergentów, spłakano wodą destylowa­

ną i odtłuszczono alkoholem metylowym,

- dokładnie ustalono osiowość płaszczyzn kół pasowyoh s iln ik a i cylindra oraz sprawdzono naciąg paska klinowego w cela wyeliminowania poślizgu paska,

- przemyto i odtłuszozono pompę oraz przewody doprowadzające wodę ze zbior­

nika do cylin d ra ,

- wał s iln ik a połączono elastyoznym sprzęgłem z wałkiem prądniozki tacho­

metrycznej,

- doszczelniono doprowadzenie COg do drążonej osi oraz króćoe termome­

try ozne,

- wykonano oświetlenie oylindra oraz konieczne osłony.

Warunki techniczno-eksploatacyjne praoy układu badawczego omówiono szozegółowo w [2 3,2^ ,25] .

U l . BADANIA WSTĘPNE

Celem badań wstępnych było:

- ustalenie szczegółowego zakresu zmiennośoi parametrów praoy in s t a la c ji, - osiągnięcie sta b iln e j praoy układa,

- uzyskanie powtarzalności wyników.

Badania wstępne wykazały ,że dla niskioh prędkości obrotowyobu(n* < 200|jjj^jJ) występowały chwilowe nierównomiernośoi wirowania, wynikająoe ze znaoznego momentu ta rc ia , stąd przyjęto jako zakres pomiarowy n* = 200 f 1⁶⁰⁰ [min]’

00 przy średnicy D = 0 , 1 9 5 CmJ odpowiada b ,2 $^ (—g)^ 2 7 2 .

V pomiarach ilo ś o i wody podawanej^do zraszania skorzystano z rotametru wodnego o zakresie V = 0 + 1*30 I —r— I, którym mierzono przepływy rzeczy­

w iste vo = U * 1*30 [ S - i j . -

Aby umożliwić określenie wpływu wysokości ozynnej strefy absorpcji na skorzystano z przesuwnego zraszacza (ry s. I I .5 ) , którego położenie zmieniano w zakresie h = 0,1575 f 0,630 [m], Badania wstępne pozwoliły u s ta lić sposób za sila n ia cylindra wodą, zapewniający niewielką zmianę tern—

t peratury abso rpcji. Na temperaturę wody za sila ją o e J cylinder znaozny wpływ wywiera temperatura otoczenia. Wynika to z długich odcinków przewodów za­

s i l a j ą c y c h zraszaoz,a termostatowanie nie pozwala na śo isłą regulację tem­

p e r a t u r y .

Ponieważ największa mierzona różnica temperatur wody przed cylindrem i bezpośrednio za nim nie przekraczała 1 [ k J , wobec tego jako temperaturę absorpcji przyjmowano temperaturę wody w króćou (1 3) - ry s. I I . 1 - mie­

rzoną termometrem (14). Sposób pomiarów zapewniający niew ielkie wahania temperatury w danej s e r ii związany był z grzaniem się łożysk i koła paso­

wego, a więc i wirująoej górnej pokrywy (szozególnie przy wysokioh prędko­

ściach obrotowych i niskioh natężeniaoh przepływu wody) oraz z dławieniem w pompie. Aby te zraiany były jak najmniejsze, stosowano wyłączanie s iln i­

ka napędowego po każdym z pomiarów oraz zmienne za sila n ie wodą oylindra (na przemian duże i małe zraszan ia). Duża ilo ś ć wody ohłodziła (prawie na­

tychmiast) wirującą pokrywę i pompę, mała ilo ś ć wody oraz wysokie obroty powodowały wolny wzrost temperatury. W praktyoe utrzymywano wahania tem­

peratury w danej s e r ii różniące się o +_ 1 [k] od wartośoi zadanej. Więk­

szość pomiarów wykonano d la zakresu temperatur 11 7 16 [°Cj , pozostałe, w j temperaturach niskioh (5 t 9 [ ° c j ) , średnioh (z k * 27 [ ° c ] ) i wysokioh

{ 3 6 4 42 [ ° c ] ) , miały na oelu uzyskać możliwie duży zakres zmiennośoi

Xiozby So. Wyższych temperatur nie można było stosować ze względu na nie­

stab iln ą pracę pompy.

Próbki wody przed i po absorpoji pobierano bezpośrednio przed i za wi­

rującym cylindrem mierząo równooześnie w króćou (1 3) - (ry s. 11.1^tempe­

raturę wody po absorpoji i natychmiast przystępowano do oznaczeń COg w wo­

dzie zgodnie z zaleceniami normy [26]. V czasie pomiarów kontrolowano «ska­

zania pływaka rotametru wodnego, regulując jego położenie zaworem (^{1 9}) (ry s. I I . i ) . Badania wstępne wykazały, że korekta wskazać pływaka je st ko- nieozna. Podobnie sprawdzano przed i po pobraniu próbki nadciśnienie CO^

oraz napięcie wotlomierza prostownika tyrystorowego, które okazały się bar­

dzo stab iln e. Oznaczeń COg w wodzie z a s ila ją c e j dokonywano początkowo dwukrotnie dla każdej z s e r ii (7 + 13 pom.) przed i po danej s e r ii. Wyka­

zano, że stężenie CO., w wodzie z a s ila ją c e j nie je st funkcją czasu, stąd ograniczono pomiary tego stężenia do jednokrotnego oznaczania przed każdą se rią . Badania wstępne wykazały d a le j, że niezależnie od sposobu zmiany napięoia z a s ila n ia prostownika uzyskuje się takie same prędkośoi kątowe przy zadanym napięciu (nie występuje pętla h iste re zy ). Podobne próby prze­

prowadzono dla rotametru wodnego, natomiast wskazania pływaka rotametru COg miały jedynie informować, czy występuje przepływ CO^ do cylindra.

Gaz inertny (powietrze) usuwano z układu następująco:

Przed przystąpieniem do pomiarów przypuszczono przez układ przez około 5

|jnin] C02 z b u tli przy nadciśnieniu rzędu 200 [Pa], po czym redukowano to nadoiśnienie do ⁶⁰ f 90 [Pa]tpod którym pozostawiano przepływ COg przez oały czas badań w s e r ii. Nadmiar C0^ uohodził otworami górnej i dolnej pokrywy układu. Powtarzalność wyników a n a liz COg w wodzie, przy zada­

nych parametraoh praoy, potw ierdziła skuteczność takiego sposobu usuwania powietrza. Dla ograniczenia zużyoia wody destylowanej stosowano natomiast wyłączanie za sila n ia wodą. Wymienione sposoby pozwoliły uzyskać oałkowitą powtarzalność wyników pomiarów (w granioach błędów pomiarowych) dla zada- nyoh parametrów pracy.

H I . 1. Ceohowanie przyrządów

W in s ta la o ji badawozej zamontowano dwa przyrządy, wymagająoe cechowa­

n ia:

- rotametr wody,

— woltomierz prostownika tyrystorowego.

Rotametr wodny posiada metrykę oeohowania (t = 15 C ° c ] , P = 1,013 . IO'’

[P a ]). Pomiary wstępne w zakresie n isk ic h natężeń przepływu wykazały jed­

nak, że wartośoi odczytane z metryki przewyższają rzeczywiste natężenia przepływu. Dlatego też w zakresie do 30 działe k przeceohowano rzeczywiste wskazania rotametru wg danych zamieszczonych w ta b lic y U l . 1.

.L - 22 -

■4

- 23 -

T a b l i c a 1X1.1

Tahlioa pomiarów sprawdzająoyoh krzywej jeohowania rotametra (t = 15L c ] ,

Lp.

Objętość oylindra miarowego

[om^J

Czas napełniania cylindra

0 ]

Ilo ś ć działek

[dz]

Objętościowe na­

tężenie przepływu [dm^/h]

1 2 3 4 5 6

500 500 500 500 500 500

1 2 5 , 2

66,4 47.1

2 6 , 0 1 8 . 1

13,1

124,8 66.7 46.8 25.9 17.9 12.9

A B 0 10 20 30

14,4 27,0 38.3 69.4 100,0 138,5

W ta b lic y te j wprowadzono 2 dodatkowe punkty ^{( A} i ^{U )}, trauo u » ,... - metodą objętośoiową dla zaznaczonyoh wskazań pływaka poniżej dolnej war­

tośoi wskazań, wynikającej z metryki oeohowania. Czas napełniania cylindra miarowego o ob j. 0,5 [dm^] mierzono z dokładnością 0,1 [ s ]. Uzyskane pun­

kty naniesiono na wykres oeohowania (ry s. I I I . i ) .

Układ tyrystorowy zapewnia możliwość płynnej regu lao ji prędkośoi kąto­

wej za pomooą pokrętła woltomierza. Wskazania woltomierza są jednoznaozn±e związane z prędkością kątową oylindra (obrotami s iln ik a ) . Cechowania do­

konano za pomooą legalizowanego multitachometru elektronicznego [27] typu DMT-21 o przełożeniu 1 : 1 w zakresie lic z b y obrotów 0 ■# 1600[jjXn] z do~

kładnośoią — 0,1 [jt] . Wyniki pomiarów oeohowania zamieszozono w tablioy I U . 2 i przedstawiono na ry s. I I I . 2.

Tablica I I I . 2

1 20 70

2 40 217

3 60 366

i, 80 517

5 100 668

6 1 2 0 810

7 140 962

8 1 60 1 1 0 2

0 1 80 1250

107 200 1398

1 1 1 2

2 2 0

meJL 1519

1 62 0

74 2 1 6

370523

674833 11179?0

1 2 6? 14201558 1625

73

220370

518681 830976 11241270 14341556 1635

22772 378

5 2 6

687822 1114974 12701422

1 5 6 2

1609

70 2 25 370 5 2 5

687836 1 1 2 8973 12711421 15571620

[i /min]

7 2 , 0 2 2 1 ,0

370.8

5 2 1 . 8

679,4

8 2 6 , 0

971,0 1117.0 1265.6 1419.0 1550.6 1619,8

I

R y s . 1 X 1 .2 . G h a r a k te r y s ty k a o eo h o w a n ia o b r o tć w w ir u j ą c e g o o y l i n d r a w f u n k o j i n a p i ę c i a w o lt o m ie r z a p r o s to w n ik a t y r y s t o r o w e g o

\

- 2 6 -

Ze względu na niew ielkie różnicie lio zb y obrotów w poszozególnyoh se­

riach ry s. I H . 2 sporządzono na podstawie wartośoi średnich dla 5 zmie­

rzony oh s e r ii. Wykres ten wskazuje proporcjonalność między prędkością obro­

tową s iln ik a (cy lin d ra ) a napięciem podawanym prostownikiem.Z tego wzglę­

du przebiegu wykresu nie wyrównano metodą najmniejszych kwadratów, a ko­

rzystano bezpośrednio z danych wykresu, na podstawie któryoh ustalono l i ­ czbę obrotów oylindra (prędkość kątową).

X IX .2. Zmiany konstrukcyjne w in sta la o .ji

Badania wstępne wykazały konieczność przeprowadzenia pewnyoh zmian kon­

strukcyjnych, któryoh celem była szybka s ta b iliz a o ja warunków pomiarów.

I tak, punktowy sposób z a s ila n ia wodą górnej pokrywy (ry s . I I . 3) powodo­

wał występowanie nierównomiernej warstwy absorbenta w rowku pokrywy i zna­

czny rozbryzg oieczy na osłonę c ylin d ra , szczególnie przy wysokioh prędko­

ściach obrotowych. W oelu wyeliminowania tego rozbryzgu wykonano zraszaoz w postaci pasowanego do rowka odcinka łuku z nawieroonymi 7 otworami 0 4,5 [mraj oraz rozwiercono otwory górnej pokrywy do średnicy & 4, 4 [mm]. Spo­

sób ten okazał s ię całkow icie wystarozający do wyeliminowania rozbryzgu nawet przy największych natężeniach zraszania i najwyższych prędko­

ściach obrotowych oylindra. Dla ograniozenia rosbryzgu oieczy w. pobliżu odprowadzenia roztworu poabsorpcyjnego wykonano dzieloną osłonę pasowaną do rynny 15 (ry s . 11*3) i wystającą ponad rynnę ok. 50 [mm]. Osłonę tę zabezpieczono dzielonym kołnierzem, dokręconym do górnej części osłony, a w dolnej je j czę ści wykonano odprowadzenie wody do zbiornika głównego.

Wprawdzie osłona taka nie ma wpływu na proces ab so rp cji, jednak je j brak i występujący wówczas rozbryzg wody je st uciążliw y dla obsługi.

W celu umożliwienia z a s ila n ia przesuwnego zraszacza zmieniono również konstrukcję głowicy (10) i drążonej o s i (14) - ry s. I I . 2.

I I I . 3. Badania wnikania masy przy grawitacyjnym spływie cieozy

W badaniach wstępnych przeprowadzono również dwie se rie pomiarów dla nieruohomego oylindra. Ponieważ natężenia zraszania dla stosowanych tempe­

ratur i układu metakrylan - woda nie zapewniają całkowitego zroszenia (war­

to śc i stosowanych Re_ z <■ Re _•_), wewnętrzną powierzchnię cylin d ra pokry- z

to oelofanem, a powierzchnię starannie wyrównano. Następnie zamontowano przesuwny zraszacz i sprawdzono pionowe ustawienie o si oylindra.Sposób ta­

k i ze względu na dobrą zw ilżalność celofanu zapewnił bardzo skutecznie pełne pokryoie wodą zraszanej powierzchni, nawet dla niew ielkioh natężeń przepływu wody. W każdej z s e r ii, odpowiadającej określonej wysokośoi h zamontowania zraszaoza, zmieniano natężenie przepływu wody. Pomiary te o- bejmowały 17 punktów na łąozną ilo ś ć 3O5 punktów pomiarowych.

IV . METODYKA POMIARÓW I OBLICZEŃ

Aby wyznaczyć współozynniki wnikania masy w fa zie o ie k łe j w polu s i ł odśrodkowych na podstawie danych eksperymentalnych, konieozne okazały się pomiary następujących w ielko ści:

w temperatury wody na wylocie z wirującego oylindra, - c iśn ie n ia barometryoznego powietrza,

- nadciśnienia CO,, w oylindrze,

- objętościowego natężenia przepływu wody, - napięoia woltomierza prostownika tyrystorowego, - objętości roztworu NaOH, zobojętniającego próbkę.

IV . 1. Pomiary temperatury

^ •

Temperaturę wody mierzono termometrami laboratoryjnymi rtęciowymi z ate­

stem o zakresie 0 f 40 [ c] z dokładnością 0,1 [°C] oraz termoparą typu PT-100 z Biernikiem typu LOGOMER-M-1 produkoji Krakowskiej Fabryki Apara­

tury Przemysłowej o zakresie O i 100 [°c] i dokładności 1 [ ° c ] . Po prze­

prowadzeniu badań wstępnych pomiary temperatury wody na wlocie do absor­

bera oraz temperatury CO,, w cylindrze uznano za zbędne.

IV .2 . Pomiary pienienia

Ciśnienie barometryozne mierzono barometrem rtęoiowym naczyniowym o do­

kładności 0,1 [mm HgJ (00 odpowiada ok. 13,3 [Pa] ) jednokrotnie dla każ­

dej s e r ii pomiarów. Niewielka zmiana te j w ielkości umożliwia przyjmowanie Pfc stałego w ciągu okresu pomiarów (tzn . przez ok. 6 [h] dziennie), przy czym mierzono je po pierwszej s e r ii pomiarów.

Nadciśnienie CO, w óylindrze oznaczano D-rurką wypełnioną wodą desty­

lowaną z dokładnością — 1 [mm HgO] dla każdego punktu (ok. 9,8 [Pa] ).

IV .3. Pomiary objętościowego natężenia przepływu wody

Objętościowe natężenie przepływu wody mierzono rotametrem wodnym R0L- 166 Nr 775956 o zakresie pomiarowym 0 ? 430 J z dokładnością do ~ d zia ł­

k i, a wskazania pływaka przeliozano na natężenia przepływu z załączonej i

- 28 -

p o p r a w io n e j ( r y s . I I I . 1 ) m e t r y k i c e c h o w a n ia .N a r o t a m e t r z e z a z n a c z o n o ró w ­ n i e ż 2 p u n kty (A i B ) p o n i ż e j w s k a z a n ia " 0 " , d l a k t ó r y o h p r z e p ły w w yzn a­

c zo n o m etod ą o b j ę t o ś o io w ą .

I V .k . P o m ia ry i l o ś c i o b r o tó w c y l i n d r a

P r ę d k o ś ć o b r o to w ą o y l i n d r a o k r e ś lo n o na p o d s t a w ie c h a r a k t e r y s t y k i c e ­ ch o w a n ia ( r y s . I U . 2 ) s p o r z ą d z o n e j z g o d n ie z p k t . I I I . 1 z . d o k ł a d n o ś o ią

— 1 [ V ] , 00 od p o w ia d a d o k ła d n o ś o i — 7

I V . 5 . P o m ia ry s t ę ż e n i a C O g w w o d z ie d e s t y lo w a n e j

S t ę ż e n i e C02 w w o d z ie d e s t y lo w a n e j o k r e ś la n o z g o d n ie z , normą PN -74/C -04547 [26^] a d a p to w an ą do warunków p o m ia ro w y c h , w y s tę p u ją c y o h p od­

c z a s badań . P r z e w id u je ona m ia r e o z k o w a n ie w o ln e g o C02 r o z tw o r e m w o d o ro ­ t le n k u sod ow ego w obeo f e n o l o f t a l e i n y ja k o w s k a ź n ik a . A d a p t a c ja d o t y o z y ł a u p r o s z c z e n ia m etody w p rz y p a d k u w o d y , n i e z a w i e r a j ą c e j p r ó c z E ^ C O ^ in n yo h w o ln y c h kwasów o r a z s o l i s i l n y c h kwasów i s ła b y c h z a s a d . Po u s t a l e n i u s i ę warunków t e r m io z n y c h i p rz e p ły w o w y o h p r o c e s u ( o k . 2 Ą 3 [ m i n ] ) p o b ie r a n o n a w l o c i e i w y l o c i e z a b s o r b e r a p r ó b k i wody do k o lb y z k o rk iem na s z l i f , zamykano j ą i n a ty o h m ia s t p r z y s tę p o w a n o do o z n a c z e ń . C zas p o m ię d z y p o b o ­ rem p r ó b k i a w ykonaniem o z n a c z e n ia o g r a n ic z a n o do n ie z b ę d n e g o minimum (k il­

ka - k i l k a n a ś c i e s e k u n d ). M ia r e o z k o w a n ie p ro w a d zo n o w t e n s p o s ó b , ż e po p ie rw s zy m d o d a n iu do p r ó b k i p o r c j i r o z t w o r u NaOH w n a s t ę p n e j p o r c j i d od a­

wano i l o ś ć NaOH o 0 ,1 [om ^J m n ie js z ą , n i ż zużyw ano w p o p rzed n im m ia r e c z k o ­ w a n iu . D la k a ż d e j p r ó b k i wykonywano dwa n i e z a l e ż n e o z n a c z e n ia , a z a w y n ik końcowy p rzyjm ow a n o z g o d n ie z z a le c e n i a m i normy [26] ś r e d n ią a r y t m e ty c z n ą obydwu r ó w n o le g ły c h o z n a o z e ń . J e ś l i o z n a o z e n ia r ó ż n i ł y s i ę p o m ięd zy sob ą o w i ę c e j n i ż 2 , 2 Jjag/dm^], obydwa o z n a c z e n ia p o w ta r z a n o .

IV .6. P o m ia ry w i e l k o ś c i p o m o o n io z y c h

O p ró cz w y m ie n io n y c h w p k t . I V .1 - IV .5 w i e l k o ś o i m ie r z o n o p o n a d to :

- średnioę wirującego oylindra (w przekroju górnym i dolnym w układzie pro­

stopadłym) z dokładnośoią 0,5 [mmj],

- wysokość czynnej strefy absorpcji (d la oztereoh badanych wartośoi h, w tym dla 3 położeń przesuwnego zraszaoza) z dokładnośoią 0,5 [mm], - ozas napełniania oylindra miarowego (przy sporządzaniu rzeozyw istej cha­

ra kte rystyki rotanetru wodnego) z dokładnośoią 0,1 [« ].

- 29 -

( r v - 3 ) X V .7 . M etod yk a o b l i c z a n i a w s p ó łc z y n n ik ó w w n ik a n ia masy na p o d s ta w ie da-

nyofa. e k s p e r y m e n ta ln y oh

I l o ś ć p r z e n ik a ją o e g o z f a z y g a z o w e j do o i e k ł e j dw u tlen ku w ę g la (a) o M i- o z a s i ę ja k o

g; = k ' F d J tA [km ol/h] ( I V - 1 )

W s p ó ło z y n n ik p r z e n ik a n ia k ^ w y n o s i

— = — + — f ( I V —2 )

k ' _A A' _{i Ag} Ibi_l9Ao *- J

S t o s u ją c c z y s t y s k ła d n ik gazow y (o z y n n y )

f i l g = ~

_ ^ A ° (T f - k )

A ” n

P o n ie w a ż z a ś m oduł napędowy

A t A = ( l V - 5 )

wobec t e g o

o ; = K c f a z a o [ km ol/h] ( I V - 6 )

a w ię c z a l e ż n o ś ć p r z e c h o d z i w fo r m ę , o b o w ią z u ją o ą w n ik a n ie masy w f a z i e o i e k ł e j .

M oduł napęddwy A % A c Jo s t t u rozu m ia n y Jako ś r e d n i p om iędzy w lo tem a w y lo te m o i e o z y z e s k r u b e r a .

D la n i s k i c h s t ę ż e ń , g dy o b o w ią z u je praw o H e n r y 'e g o ( z g o d n ie z w y ja ś ­ n ie n ia m i podanym i w p r a o y [28] ) , n a le ż y s to s o w a ć z a le ż n o ś ć :

A J L , - A J [ . ,

* * M . - « i . ■ 4 * ( l V - 7>

¥ f a z i e o i e k ł e j z a o h o d z i p r o o e s d y f u z j i A (d w u tle n k u w ę g la ) od z w i e r - c i a d ł a o i e o z y w g ł ą b i n e r t u (w o d y ) . V tym p rzyp ad k u

m . = 4 ^ ( i t - 8 )

A im

- 30 -

Konsekwencją wynikającą z n isk ic h stężeń CO,, w wodzie Jest możliwość przy- Jęoia

* ± « 1 (X V - 9 )

x lz « 1 (XV-^{1 0})

* \ = xAz “ XA (XV-12)

Traktując COg (teohn.) jako gaz suchy i czysty równowagowe stężenie A na zwierciadle cieozy można o k re ślić z prawa Henry’ ego jakox ^

xAz = i (IV - 13)

Ciśnienie całkowite CO2 w cylin d rze je st sumą c iśn ie n ia barometryoznego i nadciśnienia, mierzonego U-rurką

P = Pb + AP [Pa] (lV -l4 )

średni moduł napędowy wynosi więc

= ^ * B Ł - ^ - (X AZ1 - ł A i ^ ( i v _ 7 a )

in X^ . 1

XAz1 “ XA1

V s ta łe j temperaturze układa

XAz2 = *AZ1 = XAz ( IV -15)

a stąd

= *A 2 ~ XA1 In XAz ~ ^

XA z " XA2

(rv_7b)

Należy zauważyć, że do absorpoji stosowano wodę destylowaną pozbawioną s o li mineralnych, zawierającą jednakże niewielką ilo ś ć COg zaabsorbowane­

go z atmosfery, stąd xA1 > O.

- ■■■ ■ ■ ■ 111 ‘

W pracy [283 stwierdzono na podstawie a n a liz teohnioznego dwutlenku wę­

g la zawartość czystego CO. V granioach 98 4 100 [56] oraz praktyczną nieobecność H^S i SO^. Autorzy zaznaczają również, że wobeo ekspansji gaza od olśnień rzędu 5.10^ [fa ] gaz n ie sawiera pary wodnej.

- 31 -

P o w ie r z c h n ię c zy n n ą w ir u ją c e g o c y l i n d r a w y lic z a n o ja k o

F = JlD^h [m 2] (T V - 1 6 )

S posób t e n z a k ła d a n i e w i e l k i e z w ię k s z e n ie p o w ie r z c h n i c z y n n e j ( ś c i ś l e j ś r e d n ic y D ) w stosu n k u do p o w ie r z c h n i r z e o z y w i s t e j w s k u tek p ok rycia j e j sp ły w a ją o y m film e m i wobeo z n a c z n e j ś r e d n ic y r u r y (D w = 0 ,1 9 5 [ m ] ) j e s t w y s t a r o z a ją o o d o k ła d n y .

W y sok ość c z y n n ą o y l i n d r a h z m ie n ia n o do 4 p o ło ż e ń

h = 0 ,6 3 0 0 ; 0 ,4 7 2 5 ; 0 ,3 1 5 0 ; 0 ,1 5 7 5 [m ]

D la d u ży c h n a t ę ż e ń z r a s z a n i a i w y s o k ic h p r ę d k o ś c i k ą to w y c h w y s tę p o w a ło p r z e s u n i ę c i e p oziom u z r a s z a n i a w stosu n k u do w y lo t u z otw ork ów p rzesu w n e­

g o z r a s z a c z a o w a r t o ś ć A h , k t ó r ą m ie r z o n o z d o k ła d n o ś o ią 5 [m m ji u w z g lę d ­ n io n o w o b l i c z e n i a c h zarów n o w p o w ie r z c h n i F (w z ó r ( I V - 1 6 ) ) , ja k i w sim ­ p l e k s i e W*z / ł l ) . Do o k r e ś l e n i a i ł o ś o i z a a b s o rb o w a n e j masy G^ s toso w an o ró w n a n ie b ila n s o w e

GI = ł o (C A2 " CA 1 } [k m o l/ h ] ( l V - 1 7 )

z a ś CA2 i C ^ o k r e ś la n o z g o d n ie z m eto d y k ą , o p is a n ą w p k t . X V .5.

Aby w y r a z i ć m oduł napędowy & % A z a pomocą w y z n a c z o n e j pom iarow o w a r to ­ ś o i CA , k o r z y s t a n o z p r z e l i o z e n i a [29] :

C. M.

A l c

o - C. (M . - M, )

~~0 A A i c

w k tó ry m po w s t a w ie n iu dan ych u zysk an o 18 C.

A XA = ---

O - 26 C.

>c A

O s t a t e c z n i e , w s p ó ł c z y n n ik i w n ik a n ia masy w y zn a cza n o ja k o G ‘

( I V - 1 8 )

( I V - 1 9 )

& = P i o = [km ol/m ^h] ( l V - 2 0 )

Am

I V . 8 . M eto d y k a o b l i o z e ń w i e l k o ś c i m odułowyoh

Z g o d n ie z t e o r e t y c z n y m i p r z e s ła n k a m i, om ówionymi w r o z d z . 1 .1 , z a l e ż ­ n o ś ć w s p ó łc z y n n ik a w n ik a n ia masy u jm u je w z ó r k r y t e r i a l n y o p o s t a c i :

V D

Shz = C R ez A SoB ( - £ ) f( | ) ( l V —2 1)

gd zie :

f i '

Sh = --- = --- --- - zastępcza lic z b a Sherwooda, (T V -2 2)

<?Ic * * '

Rez = "f?- 4 r “ lic z b a Reynoldsa przy zraszania (XV-23)

So = 2JZ. _ lic z b a Sohmidta, (lV-24)

0 A

, ^ z \~h~' “ 3impleks podobieństwa geometrycznego,

/A \ simpleks przyspieszeń odśrodkowego i s ił y oię&kości.

Współczynniki d y fa z ji C02 w wodzie określano na podstawie podobień­

stwa grupy dyfuzyjnej [ i]

DAB = DAB1 ^ Y (XV—25)

p rze liczają o je na dynamiczne współczynniki c? z dokładnością 0,1 [°c ]

- 32 -

^AB = °AB1 * T , * y ( I T -2 6)

przy czym w obliczeniach korzystano z tablioowe j wartości c T . dla 2 0 r c l [1,29]

°łAB1 = ^AB^2 0[Oc] = 3 , 5 3 2 2 . 1 0 k

Dla t = 20 [°C] znaleziono również ^ = 1 0 , 0 5 0 J (wg [²⁹] ) .

Na podstawie [29] sporządzono ta b lic ę interpolacyjną dla wartośoi 7» 90, H, 1 So 00 °«1 [ ° CJ w zakresie 4 4 42 [ ° c ] , prfcy czym

S° = t f (IV"27)

a wobec aiew ielkloh stężeń A w roztworze ( rzędu x& = 10_ił)

M ęd Mio (XV-28)

stąd

MA H V

So = SMic --- y = m---TfT A Mic ^ A (XV-27a)

- 33 -

. \

Podstawia jąo [parsj , ć A , ^ i0 = 18 uzyskano wzór uproszozo- ny, dogodny do praktycznych przeliczeń

So = 200 4 - (XV-27b)

Przyspieszenie odśrodkowe "a” określano zależnością [3]

2 _2

2 ®D n i

= - v

w

R “ ( 50 * D -_W ^ Dw“" rm

ifeoo

M

gdzie n - lio zb a obrotów oyłindra

[ . = ] •

Dla fu n ko ji T(S) zaproponowano w pracy formę:

.E

f ( | ) = [ , . < f ) ]

(IV_29)

( x v - 3 o )

Dla stosowanyoh w doświadczeniach wartośoi n uzyskano wartośoi sim­

pleksu (^) zestawione w ta b licy I V , 1.

Tablioa IV .1 Stosunek (—) dla różnyoh prędkości obrotowych cylindra

■* [ = b ] ^{200 300} 400 500 600 700 800 900

<t> ^{4,249 9,561 1 7 , 0 0 26,5 6 38,24 52,05 67,99 86,05}

• ■ [s k ] ^{1000 1 1 0 0 1 2 00 _ 1 3 0 0 1400 1 5 00 1600} 106,23 128,54 152,98 179,53 208,22 2 3 9 , 0 2 2 7 1 , 9 6

Ostatecznie, ogólna postać zależności k ry te ria ln e j, pozwalająoa okre­

ś l i ć współczynniki wnikania masy w polu s i ł odśrodkowych, przyjmuje po­

stać:

(rv -3 i) Sbz = C RezA SoB ( ^ )

[<i> * •]

- 34 -

XV.9. Zakres zmienności zmiennych niezależnych

Na podstawie badań wstępnych (rozdz. I X l ) ustalono ostateoznie nastę­

pujący zakres zraiennośoi zmiennych niezależnych, wplywająoych na re rto - /Sc‘

n * = 200 4 16 0 0 (3 ,3 3 i 26,67 [ i ] )

v 0 = 14 i 430 [ ^ f p ] ( 3 , 8 9 . 1 0 - 6 i 1 1 9,4.1 0 - 6 j ^ J )

h = 0,1575 t 0 , 6 3 0 0 [m]

t = 5 , 0 4 42 [ ° c ]

Prócz tego wykonano dwie se rie pomiarów (17 punktów) dla nieruchomego cy­

lin d ra , tzn. nH = 0 (d la dwu wartośoi h ).

V. WYNIKI POMIARÓW I OBLICZEŃ

Wyniki pomiarów i obliczeń współczynników wnikania masy zestawio­

no w tab lio y I X . 1 (Aneks do rozdz. v ) . Obejmują one następujące wielkośoi mierzone:

- prędkość obrotową wirującego oylindra n* [l/m ln ], - temperaturę wody na wylocie z absorbera t [ ° c ] ,

- objętośoiowe natężenie przepływu wody, wyznaozone na podstawie charak­

te ry sty ki rotametru Vc [dm^/hj,

- objętość roztworu NaOH zobojętniająoą COg w próboe w 2 seriaoh (Vj 1 Vg) oraz wartość uśrednioną V^r [om^J ,

- wysokość czynnej stre fy absorpcji h [■ ], - ciśn ie n ie barometryozne P^ [mm Hg],

- nadciśnienie COg mierzone manometrem różnioowym dP [mm stężenie zasady (NaOH) używanej do miareczkowania Czasm

Na podstawie tyoh danyoh obliozono dla każdego z punktów (zgodnie z po­

daną metodyką) następująoe w ielko ści (pkt. IV .8 ):

- stężenie początkowe COg w wodzie C ^ [kmol/m^J, - u d zia ł molowy COg w wodzie przed absorpo ją - stężenie końoowe COg w wodzie CAlf [kmol/m^, - u d zia ł molowy COg w wodzie po absorpoji xAk,

- u d zia ł molowy COg w stanie równowagi dla temperatury t prooesu xAz.i - moduł napędowy w przekroju wlotowym absorbera

- moduł napędowy w przekroju wylotowym absorbera •AJf^g = AT^g, - średni moduł napędowy wnikania A%^m,

- ilo ś ć zaabsorbowanego w wodzie dwutlenku węgla [kmol/h,]

- współczynnik wnikania masy [kmol/m^h] .

Na podstawie tyoh danyoh zestawiono ta b licę obliozonyoh wielkośoi modu­

łowych, obejmującą:

- lic zb ę Reynoldsa przy zraszaniu Re^, - lic z b ę Schmidta So,

- simpleks podobieństwa geometryoznego ( ^ / h ) , - simpleks przyspieszeń (a /g ),

- zastępczą lio zb ę Sherwooda, wyliczoną na podstawie wielkośoi zmiarzonyoh (S^z^zm-

- zastępozą lio zb ę Sherwooda, obliczoną na podstawie uzyskanej ko re lao ji ( a iz )obl (patrz rozdz. V l) .

Zestawienie tyoh danyoh zawiera ta b lio a I X . 2.

Tablioe I X . 1 i IX . 2 zamieszczono jako aneks do rozdz. V (na końou pracy).